一款大尺寸超薄液晶电视用LED背光源
2022-01-20

  引言

 

  液晶屏自身并不发光,为了可以清楚地看到LED显示屏的内容,需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶显示器内部的一个光学组件,由光源和必要的光学辅助组件构成。传统的背光源采用的是冷阴极荧光灯(CCFL),色彩还原性差,含有对人体有害的汞蒸气。LED背光源色彩还原性好、寿命长、不含汞、有利于环境保护。就而言,传统的CCFL背光驱动线路十分复杂,要求上千伏特的驱动电压,利用专门的逆变器才能驱动起来。而LED可以低电压工作,响应速度快,控制较为方便。近年来LED被逐渐引入到现有的液晶显示技术中,背光源非常有可能成为下一个被LED垄断的产业。LED背光源如果通过增加对比度、区域控制等手段,性能要远远优于CCFL背光源。目前,LED背光源已经在中小尺寸面板中普及,如手机、数码相框等,随着LED技术的发展和LED芯片的不断成熟,LED液晶电视将可能逐步取代传统的CCFL液晶电视。

  背光源根据光源的位置不同分为直下式背光源和侧光式背光源。直下式背光源,直接把LED光源放在出光面下面,光源发出的光经过一段空间距离和扩散板的扩散和混合后,成为面光源发射出来,直下式背光源需要一定的混光距离。而侧光式背光结构对超薄化的模块设计则更具优越性,随着“超薄风”的刮起,大尺寸超薄侧光式LED背光源成为各大电视厂商及上游企业的研究热点。

 

  1 结构设计

 

  本文所设计的LED背光源是侧光式超薄结构,整个结构包括:LED灯条、驱动板、膜材、导光板、散热块、上框架、背板。背光源采用白光LED,整个结构设计以Active Area的中心点为所有部件的设计中心,以液晶电视所用液晶屏的尺寸为前提,设计其它尺寸。综合考虑及光学设计的要求,对结构进行设计。结构设计先从UⅣOUT布局图着手,表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系,然后着手零件图结构设计。上框架采用分段式设计,在长度方向上分段,避免长度过长。灯条的出线端设置在背板的四个角处,减少绕线长度。

 

  2 光学设计

 

  背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源,首先要选择合适的LED,本设计采用的是白光双芯片LED。通过预设白场光度指标,结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析,完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量,结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数。表1所示为所选LED的电学及光学特性。

 

  表1 LED电学及光学特性

  LED电学及光学特性

 

  为了提高背光源的亮度,膜材结构搭配为:一层扩散片+一层BEF+一层DBEF。其中,扩散片的作用是借扩散物质的折射与反射将光雾化,让射出的光更加均匀:BEF的作用是将光线聚拢,使其垂直进入液晶模块以提高辉度:DBEF是利用原先被传统吸收型偏光片吸收的50%的光线来增加亮度。导光板网点直径为0.54~1.55mm.图1所示为导光板的部分网点分布图。

 

  导光板网点分布图

  图1 导光板网点分布图

 

  3

 

  LED背光源电路设计主要包括灯条设计和驱动控制电路设计,图2所示为整个电路部分的结构框图。

 

  电路结构框图

  图2 电路结构框图

 

  3.1 灯条设计

  光源采用双芯片白光LED,灯条分布在背光源的四周。为了达到更好的电流均一性,灯条采用串并混联,实行两并多串。为了取得更好的散热效果,LED灯条采用铝基板加工制作。整个系统输入电压为24V,此电压由外部电源转换器提供。

  3.2 驱动控制电路设计

  是三路峰值电流模式PWM控制器,通过闭环控制输出电流提供高精度LED电流。该芯片包含三个峰值电流模式控制器,给IC提供反馈,以确保更高效率和更高精度。芯片上的栅极驱动器进行了优化,用来驱动0.25A源电流或O.5A沉电流的逻辑电平FET,每个输出电流可通过线性或PWM调光方法进行单独调光。

  该芯片的闭环系统能动态调节它的输出电压,以适应LED电流的线路和负载调整。单一封装内集成的三路驱动器保证了每串间有更好的电流匹配,同时降低了整个系统的芯片数量。具有40V线性稳压器,提供5V电源给lC供电,三个转换器的开关频率由内部振荡器控制,三路有1200的相位差,以降低输入电流波纹。高压驱动,电流匹配度良好。LED串间电流精度为4-2%,支持线性和PWM调光。

 

  PW_M_波形图(D=75%)

  图3 PW_M_波形图(D=75%)

 

  3.3 散热设计

  由于LED的光效较低,工作时会产生大量的热量,如果不解决散热问题,会导致LED发光亮度的衰减和使用寿命的缩短。为了抑制LED产生的热量影响背光模组的辉度和色度,就要对LED进行散热设计。

  为了达到更好的散热效果,将LED阵列焊接在铝基板上(MCPCB),铝基板比普通的PCB(FR4材质的PCB)散热效果要好很多倍。在铝基板下面,设计了长条形的散热块。在散热块和灯条之间贴敷导热双面胶,并用螺钉固定铝基板和散热块。在背光源的四周热量聚积地带,贴敷带保护膜的导热片。为了降低热阻,在LED焊盘上加导热过孔。这样,减少了PCB板垂直于热流方向的截面积,从而减少了顶层和底层之间的热阻而加强了LED灯热量的传导。最后,依靠电视机壳里的空气对流将热量散掉。

 

  4 测试结果

 

  本文所设计的液晶电视用超薄LED背光源为侧光式结构,光源采用白光LED。图4所示为组装后的LED背光源,厚度为9.9mm。利用BM一7进行九点测试,中心辉度为5,500nit,亮度均齐性为82%,色彩还原性达到95%@CIE 1976。背光源整体功率为150W,其中LED功耗为135W,效率达90%。背光系统的驱动电路属于高压驱动,电路简单,电流一致性良好。

 

  组装后的背光源

  图4 组装后的背光源

 

  5 结论

 

  本文设计了一款大尺寸超薄液晶电视用LED背光源,中心亮度达到5,500nit,整体背光源功率为150W,亮度均齐度为82%。整机厚度为9.9mm,达到业内领先水平。本文设计的背光源已通过信赖性测试,为量产打下了基础。

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